CH657948A5

CH657948A5 - Inkremental-antriebseinrichtung mit einem schrittschaltmotor.

Info

Publication number: CH657948A5
Application number: CH6704/79A
Authority: CH
Inventors: Lawrence W Langley; H Keith Kidd
Original assignee: Kollmorgen Tech Corp
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1986-09-30
Also published as: FR2431792B1; DE2929556A1; FR2431792A1; GB2026795B; CA1142581A; IT7949815A0; IT1162354B; DE2929556C2; GB2026795A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Inkremental-Antriebseinrichtung, bestehend aus einem Schrittschaltmotor mit variabler Reluktanz und einer Steuereinrichtung für den Schrittschaltmotor.

Es ist allgemein bekannt, dass Schrittmotoren jeder Art bei bestimmten Kombinationen von Antrieb, Last, Trägheit und

Frequenz Unstetigkeiten oder Instabilitäten aufweisen. Diese Instabilitäten werden durch die Kraftverlagerung in jeder Grundposition des Schrittmotors verursacht. In dieser Position verhält sich der Motor so, als ob eine Federkraft an den beweglichen Teilen seiner trägen Masse angreift, wodurch eine hohe, ungedämpfte Resonanz entsteht. Wird der Schrittmotor in seiner Resonanzfrequenz oder in einer harmonischen Frequenz dieser Resonanzfrequenz angetrieben, so kann dies zu einem völlig regellosen Motorlauf führen. Es sind bereits Verfahren entwickelt worden, um den Motor ohne Unregelmässigkeiten durch seine Resonanzfrequenz zu steuern und ihn so völlig gleichmässig zu beschleunigen oder zu verzögern. Die bisher entwickelten Verfahren setzen allerdings alle voraus, dass die Motorlast annähernd unverändert ist. Eine gut ausgeglichene Schrittmotor-Antriebseinrichtung, die gleichmässig beschleunigt und verzögert, reagiert in der Regel sehr schlecht auf Halbierung oder Verdoppelung der Last.

Hersteller und Benutzer von Schrittmotoren haben verschiedene Verfahren entwickelt, um die Schrittmotoren nach Art eines geschlossenen Schaltkreises zu steuern. Die Rückkopplungs-Schrittmotoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden: 1) Geschwindigkeits-Rückkopplung, wobei entsprechend der mechanischen Schrittgeschwindigkeit des Motors ein Signal entwickelt wird, welches die Antriebsfrequenz regelt; und 2) ein Impuls-Positions- oder Zeitrückkopplungssystem, bei welchem eine Ausgangsinformation entweder direkt vom Motor oder über einen Umwandler kommt und direkt zur Steuerung des Motors verwendet wird. Beide Verfahren schliessen implizit eine Geschwindigkeits-Rückkopplung ein, was zur Folge hat,

dass der Motor sehr heftig auf Lastveränderungen reagiert. Die erfolgreichste Rückkopplungssteuerungs-Methode, die bisher bekannt geworden ist, bedient sich einer ausserhalb der Antriebseinrichtung gelegenen Messeinrichtung, beispielsweise eines elektro-optischen Umwandlers. Die vom Umwandler ausgehenden Signale werden zur Bestätigung und zum Zählen der Schritte verwendet; in manchen Systemen werden diese auch direkt zur Steuerung der Antriebsimpulse für den Motor verwendet.

Es sind auch Versuche gemacht worden, die Rückkopplungssignale direkt den Wicklungen des Schrittmotors zu entnehmen; der bedeutendste Vorteil einer solchen Lösung wären die wesentlich geringeren Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung besteht in der geringeren Trägheit, da die zusätzliche Last des Umwandlers entfällt, die einen beträchtlichen Teil der Gesamtlast darstellen kann. Die bei der zuletzt vorgeschlagenen Lösung der Rückkopplung direkt von den Wicklungen auftretende Schwierigkeit besteht darin, dass das von diesen ausgehende Signal meist sehr schwach ist im Vergleich zur Antriebsspannung des Motors. In den üblichen Schrittmotoren verändert sich die Antriebsspannung mit der Geschwindigkeit des Motors. Das bisher erfolgreichste Verfahren besteht darin, dass der Motorstrom, der äquivalent seiner Geschwindigkeit ist, gemessen wird, weil die Rück-EMF den Motorstrom vermindert. Im Handel ist mindestens ein solches Rückkopplungssystem erhältlich. Jedoch ist die Reaktion dieser bekannten Systeme bei Lastschwankungen aufgrund der grossen Zeitkonstante völlig ungenügend.

Ein Reluktanz-Motor macht von dem Effekt Gebrauch, dass, abhängig von der Energieverteilung im magnetischen Schaltkreis, die mechanische Kraft immer in Richtung der geringsten Reluktanz wirkt.

Ein bekannt gewordener Reluktanz-Motor benutzt eine mit Zähnen versehene Rotor/Stator-Kombination mit Rotor- und Statorzähnen und einem Spalt zwischen diesen, bei welcher die Rotation des Rotors eine zyklische Variation der Reluktanz des magnetischen Stromes bewirkt. Die Spaltabmessung ändert sich, wenn Rotor und Stator sich relativ zueinander bewegen. Ein Motor mit ununterbrochener Schrittbewegung hat mindestens zwei oder mehr Sätze von Zähnen auf Stator und Rotor

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sowie getrennte magnetische Stromkreise, die sich durch diese erstrecken und die getrennt voneinander mit Strom versorgt werden können. Die verschiedenen Rotor/Statorzähne sind versetzt und im Winkel zueinander angeordnet. Bei selektiver Stromversorgung der Magnetkreise wird der Rotor veranlasst, sich jeweils in die Richtung der geringsten Reluktanz für den entsprechenden Magnetstromkreis zu bewegen, und zwar entsprechend seiner magnetischen und mechanischen Konstruktion und der verwendeten Steuereinrichtung. Bei den üblichen Schrittmotoren mit variabler Reluktanz weisen Stator- und Rotorzähne die gleiche oder annähernd die gleiche Breite auf; diese Anordnung bewirkt die grösste mögliche Differenz zwischen geringster und grösster Reluktanz.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche die angeführten Nachteile vermieden werden.

Die erfindungsgemässe Antriebseinrichtung weist die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf. Ausführungsformen der Antriebseinrichtung bilden Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Durch die Erfindung werden unerwünschte Rückstellkräfte des Schrittmotors auf ein Minimum reduziert, ein besserer Wirkungsgrad gewährleistet und eine grössere Empfindlichkeit erzielt. Ferner wird während der Beschleunigung und der Verzögerung sowie unter in einem weiten Bereich variierender Last stets ein zuverlässiger Schrittablauf erzielt.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Linear-Schrittmotors mit variabler Reluktanz, wie er im Zusammenwirken mit der Motorsteuereinrichtung in der inkrementalen Antriebseinrichtung nach der Erfindung verwendet wird.

Fig. 2 ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes eines zylindrischen Rotations-Schrittmotors mit variabler Reluktanz.

Fig. 3 A ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes der Scheibe eines Rotations-Schrittmotors.

Fig. 3B ist eine vereinfachte Darstellung der Zahnanordnung, wie sie bei dem Motor nach Fig. 3A verwendet wird.

Fig. 4A ist eine vereinfachte Darstellung eines Teilausschnittes des Läufers im Motor nach Fig. 1.

Fig. 4B ist eine vereinfachte Teilansicht eines Stators, wie er in Kombination mit einem schraubenlinienförmigen Läuferelement entsprechend Fig. 4A verwendet wird.

Fig. 5 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Ausgestaltungsform der Motorsteuereinrichtung der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung.

Fig. 6 ist eine schematische Schaltskizze einer Ausgestaltungsform der Steuereinrichtung nach Fig. 5.

Fig. 7 ist eine schematische Schaltskizze einer Ausgestaltungsform des Funktionsgenerators und des Komparators.

Fig. 8A, 8B und 8C sind Darstellungen der typischen Wellenformen nach einer Ausgestaltung des Komparators entsprechend Fig. 5.

Fig. 9A, 9B und 9C sind Verlaufdiagramme eines Programms der Steuereinrichtung.

Eine Ausgestaltungsform eines Linear-Motors mit variabler Reluktanz mit einer Inkremental-Motorsteuereinrichtung entsprechend der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebsein-richtung zeigt Fig. 1. Der Motor 10 ist mit einem zylindrischen Stator 11 und einem ringförmigen Läufer 14 ausgerüstet. Der Stator 11 hat Zähne 12 und zwischen diesen Einkerbungen 13. Die Zähne haben einen Mittenabstand P und eine Breite P/2. Der Stator wird vorzugsweise aus Eisen mit einer Beimischung von 2,5 % Silizium hergestellt. Der ringförmige Läufer 14 gleitet auf dem Stator 11 auf den Lagern 15. Der Läufer 14 weist die Pole 16 und 17 auf, zwischen denen der ringförmige Permanentmagnet 18 angeordnet ist; vorzugsweise wird ein Samarium-Kobalt-Magnet verwendet. Der Pol 16 hat zwei ringförmige Läuferelemente 19 und 20, während Pol 17 die beiden ringförmigen Läuferelemente 21 und 22 aufweist, die durch die Wicklungen 23 bzw. 24 voneinander getrennt sind. Zwischen dem Permanentmagneten 18 und den Polen 16 und 17 sind die Kraftflussregler 25 und 26 angeordnet. Läuferelemente sowie Kraftflussregler sind ebenfalls aus 2,5 % siliziumhaltigem Eisen hergestellt. Die Ringe 27 und 28, ebenfalls aus 2,5 % Silizium enthaltendem Eisen, ermöglichen den Kraftfluss zwischen den Läuferelementen 19-20 und 21-22.

Während die Mittenabstände der Statorzähne 12 gleich P sind und ihre Breite P/2, sind die Mittenabstände der Läuferzähne 29 gleich P, ihre Breite aber P/4. Zusätzlich sind die Zähne in den Läuferelementen 19 und 20 sowie in 21 und 22 zueinander um (n± 1/2) P versetzt angeordnet, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Zähne der Pole 16 und 17 sind um (m± 1/4) P gegeneinander versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist. Der Motor 10 wird von einer linearen Position zur nächsten geschaltet, indem die Stromrichtung in einer der beiden Kontrollwicklungen 23 und 24 umgekehrt wird, wobei beide Wicklungen ständig unter Spannung stehen.

Es besteht keinerlei Gefahr, dass der Läufer sich in die falsche Richtung bewegen könnte. Die Bewegungsrichtung ist eindeutig durch die Wicklung bestimmt, in welcher die Stromrichtung geändert wird. Von den inaktiven Zähnen geht keinerlei entgegengerichtete Kraft aus, die die durch die magnetische Aktivierung der aktiven Zähne bewirkte Bewegung in der gewünschten Richtung behindern könnte. So kann der in Fig. 1 gezeigte Motor in jeder Richtung bewegt werden.

Eine weitere Ausgestaltungsform eines Motors der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung zeigt Fig. 2. Der Motor 40 ist mit einem zylindrischen Rotor 41 ausgerüstet, dessen Zähne 42 sich zwischen den Einkerbungen 43 in Längsrichtung erstrecken. Die Zähne 42 haben eine Breite von P/2 und Mittenabstände von P im Bogenmass. Die Einkerbungen 43 können mit einem nicht magnetischen Material ausgefüllt werden, um dem Rotor 41 eine gleichmässige Oberfläche zu verleihen. Der Stator 44 ist mit zwei Polen 44a und 44b versehen. Jeder der beiden Statorpole 44a und 44b ist mit zwei Sätzen sich in Längsrichtung erstreckender Zähne 45-46 und 47-48 ausgerüstet. Zwischen diesen Zahngruppen befinden sich die Steuerwicklungen 49a und 49b. Die Statorzähne 45, 46, 47 und 48 haben untereinander einen Mittenabstand P (Bogenmass) und eine Breite P/4. Die Statorpole 44a und 44b sind durch einen Ringmagneten 49 getrennt. Die Statorzähne 45 und 46 (ebenso wie die Statorzähne 47 und 48) sind gegeneinander um (n± 1/2) P versetzt, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Statorpole 44a und 44b sind um (m ± 1/4) P gegeneinander versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist.

Die Steuerwicklungen 49 a und 49b sind ständig mit Gleichstrom versorgt, dessen Stärke ausreichend ist, um eine MMK zu erzeugen, die derjenigen von Permanentmagnet 49 entspricht, wobei die Richtung des Stromflusses in der Spule so gewählt wird, dass der magnetische Fluss sich entweder zu dem von Permanentmagnet 49 addiert oder diesem entgegenwirkt. Die vier möglichen Kombinationen von Stromrichtungen bewirken Kaft-linienwege durch die Rotor- und Statorzähne, welche denen im Schrittmotor von Fig. 1 entsprechen. Die Schrittschaltung im Motor erfolgt durch den Wechsel der Stromrichtung in den Steuerwicklungen 49a und 49b.

Eine Ausgestaltungsform eines Scheibenmotors, wie er in der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung vorhanden sein kann, zeigen die Figuren 3A und 3B. Der Motor 50 weist einen Rotor 51 auf, der vermittels einer Manschette 51b, die aus Epoxidharz bestehen kann und mit einem Weicheisen-ring 51c verbunden ist, auf einer nicht magnetischen, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten Achse 51a sitzt. Zwei Statorpole 52 und 53 befinden sich auf den gegenüberliegenden

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Seiten des Rotors 51. Der Statorpol 52 ist mit zwei Sätzen radial angeordneter, keilförmiger Zähne 54 und 55 versehen, wobei die Durchmesser der durch die Anordnung gebildeten Kreise unterschiedlich sind. Der Statorpol 53 besitzt zwei Sätze von Zähnen 56 und 57, die entsprechend angeordnet sind. Mit den Statorpolen 52 und 53 sind ringförmige Permanentmagnete 58a und 58, vorzugsweise Samarium-Kobaltmagnete, verbunden. Die Ringmagnete 58a und 58 sind von den Spulen 59 und 60 umgeben, die Leiter 59a, 59b und 60a, 60b haben, welche mit Stromquellen verbunden sind, deren Richtung steuerbar ist.

Der Rotor 51 ist mit radial in gleichmässigen Abständen angeordneten keilförmigen Zähnen 61 versehen. Die Rotorzähne 61 werden vorzugsweise aus Vanadium «Permendur» hergestellt. Der Mittenabstand der einzelnen Zähne beträgt P (im Bogenmass), die Breite der Zähne P/4 (im Bogenmass). Die Statorzähne 54, 55 und 56, 57 sind gegeneinander um (n± 1/2) P versetzt, wobei n eine ganze Zahl ist. Die Statorpole 52 und 53 sind gegeneinander um (m ± 1/4) P (im Bogenmass) versetzt, wobei m eine ganze Zahl ist. Die Fig. 3B zeigt die räumliche Lage der Rotorzähne 61 und der Statorzähne 54 und 55; sowohl Rotor- als auch Statorzähne sind vorzugsweise in Epoxidharzringe eingebettet.

Der Gleichstrom, der die Steuerwicklungen 59 und 60 durchfliesst, ist so bemessen, dass er der MMK der ringförmigen Permanentmagnete 58a und 58 entspricht und dieser entweder entgegengerichtet ist oder sich zu ihr addiert. Die Schrittschaltung des Scheiben-Schrittmotors wird gesteuert durch die Schaltung der Stromrichtung, wie hier schon zuvor beschrieben. In den Figuren ist das aus nicht magnetischem Material bestehende Gehäuse der Statorhälften 52 und 53 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt.

Die Figuren 4A und 4B zeigen ein schraubenlinienförmiges Läuferelement und einen Stator, wie bei dem Linear-Schritt-motor mit variabler Reluktanz gem. Fig. 1 verwendet. Das Läuferelement 19 besteht aus einer hohlen, zylindrischen Schale 19a mit einem nach aussen gerichteten Flansch 19b für Montagezwecke. Das Innere der Schale ist mit einer Zahngruppe 29 versehen; die Zähne sind in einer regelmässigen Schraubenlinienform angeordnet. Der Mittenabstand der Zähne beträgt P und die Zahnbreite P/4. Die Einkerbungen 30 sind 3 mal so breit wie die Zähne 29. Je vier schraubenlinienförmige Läuferelemente werden im Motor gemäss Fig. 1 verwendet (Elemente 19, 20, 21 und 22). Fig. 4B zeigt den Stator 11 mit Zähnen 12 in gleichmässigen Abständen und Einkerbungen 13. Der Mittenabstand der Zähne beträgt P und die Zahnbreite P/2. Die Zähne 12 bilden eine fortlaufende Schraubenlinie.

Der Stator 11 wird vorzugsweise nach folgendem Verfahren hergestellt: Es wird vorzugsweise Eisen mit einem Gehalt von 2,5 % Silizium verwendet. Der Stab wird auf einer Drehbank gefertigt und mit einem schraubenlinienartigen Gewinde gewünschter Tiefe versehen. Der so mit dem Gewinde versehene Eisenstab erhält dann galvanisch eine sehr dünne Zinnschicht, so dass die Oberfläche lötbar ist. Als nächstes füllt man in die Einkerbungen 13 einen verzinnten Streifen elektrisch leitenden, nicht magentischen Materials, das sich über die Gesamtlänge des Stabes hinaus erstreckt. Das Material kann entweder Kupfer oder Aluminium sein. Der Streifen wird mit einer Schraube IIa am Stab befestigt. Vermittels eines normalen Lötvorganges wird der Zwischenraum zwischen dem verzinnten Streifen und dem Gewinde im Stab mit Lötzinn gefüllt. Als nächstes wird der Stab auf einen Durchmesser abgeschliffen, der etwas geringer ist (beispielsweise um 0,05 mm) als der gewünschte Durchmesser. Nun wird der Stab mit einer sehr dünnen Kupferschicht (unter 2/1000 mm) und anschliessend mit einem dünnen, galvanisch hergestellten Überzug aus einem harten, nicht magnetischem Metall, wie beispielsweise Chrom, versehen. Bei der Verwendung von Nickel anstatt Chrom ist die Zwischenverkupfe-rung nicht erforderlich.

In der fertigen Vorrichtung gleiten die tragenden Lager 15 auf dem Stator 11. Die Lager 15 sind im Vergleich zur Statoroberfläche aus weicherem Material (Fig. 1). Wird für den Stator ein weicheres Material gewählt, so sind die tragenden Lager umgekehrt aus einem härteren Material. Ist, wie im vorliegenden Fall, die Statoroberfläche verchromt, so wird für das Lager vorzugsweise ein gesintertes, bronzeartiges Metall verwendet. Es ist ebenfalls möglich, auf die tragenden Lager 15 völlig zu verzichten und statt dessen die Vertiefungen 13 zwischen den Zähnen des Läufers mit einem teflon- oder nylonartigen Material zu füllen. Wird der Stator 11 statt mit Chrom mit einem weicheren Metall wie beispielsweise Nickel überzogen, so können die tragenden Lager 15 beispielsweise aus Aluminium sein, das oberflächlich oxidiert wird und so eine besonders harte Oberfläche mit einem kleinen Reibungskoeffizienten aufweist.

Es ist selbstverständlich, dass die hier angegebenen Anordnungen der Zahngruppen nur beispielhaft sind und die Anordnungen der beweglichen Teile auch für die feststehenden Teile verwendet werden können und umgekehrt. Ebenfalls ist das Permanentmagnet-Material nur als Beispiel zu verstehen; jedes andere permanentmagnetische Material kann verwendet werden. Der Leitweg für den Magnetfluss kann entweder auflaminiert werden oder ausschliesslich aus Metall bestehen; die Spulen können wie gezeigt angeordnet werden oder direkt um die Zähne gewickelt werden. In der linearen Ausgestaltungform kann der Querschnitt des inneres Teiles rund sein; er kann aber auch jede andere Form, z.B. quadratisch oder sechseckig, haben. Die runde Form wird allgemein wegen der einfacheren Herstellung bevorzugt.

Die Zahl der Zähne und damit der Antriebsschritte ist unbegrenzt; ebenfalls unterliegt die Zahl der Schlitze und Pole keiner Beschränkung. Wenn die erwünschte Anzahl der Rotationsschritte durch 4 teilbar ist, kann der Motor so gestaltet werden, dass eine Feineinstellung gewährleistet wird. Ist die Zahl durch 2 teilbar, dann muss der Motor zwei elektrische Schritte für einen Bewegungsschritt aufweisen. Für den Fall, dass die Zahl der Schritte pro Umdrehung ungerade ist, müssen vier elektrische Schritte einem Bewegungsschritt entsprechen.

Weiterhin können Linear-Motoren beliebige Zahnzwischenräume haben, die innerhalb von praktischen Begrenzungen und Spaltbreitetoleranzen liegen. Obgleich die Toleranzen für die Spaltbreiten ziemlich eng sind, fallen sie doch in den Bereich praktischer Anwendbarkeit.

Fig. 5 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer Ausgestaltungsform der Steuereinrichtung, wie sie in der Inkremental-Antriebseinrichtung nach der Erfindung verwendet werden kann. Sie besteht aus einer Datenverarbeitungseinrichtung 70, den Motorantriebsschaltungen 71 und 72, den Wellenformgene-ratoren 73, 74, 75, 76 und den Komparatoren 77, 78, 79, 80. Die Motorantriebsschaltungen versorgen die Motorwicklungen ununterbrochen mit Gleichstrom, beispielsweise die Wicklungen 23 und 24 des in Fig. 1 gezeigten Motors. Die Datenverarbeitungseinrichtung 70 kann beispielsweise ein Rockwell-Mikro-prozessor 6502 sein. Die Motorantriebsschaltung 71 kann beispielsweise so gestaltet werden, wie in Fig. 6 dargestellt. Wellenformgenerator 74 und Komparator 80 können beispielsweise so gestaltet werden, wie in Fig. 7 gezeigt.

Jede Motorantriebsschaltung besitzt eine H-Brücke, welche ihre Wicklungen mit annähernd konstantem Strom in eine der beiden Richtungen antreibt. Das Rückkopplungssignal wird von derjenigen Wicklung erhalten, die zuletzt auf Erde geschaltet wurde. Im Augenblick der Schaltung wird in der Wicklung eine EMK erzeugt, welche die zum unteren Schalttransistor parallel geschaltete Diode zum Leiten bringt; die Spannung erreicht etwa —1 V. In dem Mass, wie sich die Energie in der Induktion der Wicklung verbraucht, steigt die Spannung über Null und erreicht einen positiven Wert, der dem ohmschen Spannungsabfall des Wicklungsstromes durch den Vorwärts-Widerstand

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des Antriebstransistors und dem Widerstand des 1,5 Ohm Strombegrenzungswiderstandes entspricht. Bei völligem Stillstand zeigt die Spannung eine völlig ungestörte Wellenform; im Fall des Motors gemäss Fig. 1 kann die Wellenform mit folgender Formel beschrieben werden: V = a(l - e"ht), wobei a und b Konstante sind. Derartige Wellenformen sind beispielsweise in den Figuren 8A und 8B dargestellt.

Ist hingegen der Motor in Bewegung, wird die Reluktanzänderung in der vom Motor gesteuerten Wicklung eine momentane EMK erzeugen, die sich der ungestörten Wellenform überlagert. Im Falle des Motors gemäss Fig. 1 kann die Störung der Wellenform durch die Formel V = a(l - e"bt) beschrieben werden, wenn b nicht konstant ist, sondern für t>0 b(t) zunächst ab- und dann im Wert wieder zunimmt. Solche gestörten Wellenformen sind beispielsweise in den unteren Kurven der Figuren 8A und 8B dargestellt, wobei 8A unter geringer Last und 8B unter grösserer Last ist. Die Störung setzt im letzteren Fall, bedingt durch eine verlangsamte mechanische Reaktion bei grösserer Last, später ein.

In der Motorsteuereinrichtung der erfindungsgemässen Inkremental-Antriebseinrichtung wird in den Wellenformgene-ratoren 73-76 ein Signal synthetisiert, welches die ungestörte Wellenform nachahmt, jedoch in Richtung der Störung verschoben ist. Das Signal der gestörten Wellenform wird mittels Komparatoren 77-80 mit dem synthetisierten Signal verglichen. Für den in Fig. 1 gezeigten Motor werden die synthetisierte und die gestörte Wellenform zusammen mit dem Ergebnis des Komparators in Fig. 8C gezeigt. Der erste Schnittpunkt entspricht dem Zeitpunkt, in welchem der Zeitpunkt der Beschleunigungs-umschaltung fast optimal ist, während der zweite Schnittpunkt dem optimalen Zeitpunkt der Verzögerungsumschaltung entspricht. Abhängig vom gewünschten Antriebsprogramm kann einer dieser Kreuzungspunkte als Zeitpunkt benutzt werden, um die Stromrichtung des Wicklungsstromes umzukehren. Die Wicklung wird ihrerseits wiederum eine Bewegungssteuerspannung produzieren, welche wiederum für die nächste Umkehr der Stromrichtung des ersten Wicklungsstromes benutzt werden kann und so fort.

Dem Fachmann ist ohne weiteres klar, dass die Wellenform des Stillstands- und des Bewegungssignals weitgehend von der Motorkonstruktion abhängt. Die Wellenformen können expo-nentiellen oder nicht exponentiellen Charakter haben. Sie können beispielsweise parabolisch oder hyperbolisch sein. Sie können auch eine Form haben, die nicht ohne weiteres mathematisch ausgedrückt werden kann. Dennoch können sie in Wellen-formgeneratoren synthetisiert werden, wenn beispielsweise stückweise lineare Annäherungen oder reine «memory»-Mikroprozessoren verwendet werden oder eine Kombination aus beiden.

Ebenfalls wird es dem Fachmann ohne weiteres klar sein, dass für den Fall eines plötzlichen Anhaltens oder einer Überlast des Motors das nächste Signal ausfallen wird. Dieser Zustand zeigt eine Überlast rechtzeitig an und ist gleichzeitig ein Vorteil des Schrittmotors, denn nur durch die schrittweise Rückkopplungstechnik wird eine sofortige Reaktion gewährleistet.

Wie in den Figuren 8A und 8B gezeigt, wird bei grosser Last, die aber keine Überlast ist, der erste Kreuzungspunkt verzögert, was ebenfalls eine Verzögerung des Schaltvorganges zur Folge hat. Der Schrittmotor reduziert deshalb bei grösserer Last automatisch seine Geschwindigkeit und erhöht diese bei Abnahme der Last oder bei deren völligem Fortfall.

Eine Motorsteuereinrichtung kann direkt zur Kontrolle des Schrittantriebes ohne Zwischenschaltung eines Schrittzählers verwendet werden, indem die Ausgangssignale des Komparators direkt die Wicklungen steuern. Die meisten Steuereinrichtungen machen die Zwischenschaltung eines Schrittzählers erforderlich und besondere Massnahmen, um den Motor entsprechend einer unveränderlichen oder regelbaren Aufeinanderfolge in eine bestimmten Position zu bringen. Eine geeignete, anpassungsfähige Steuereinrichtung wird durch einen Mikroprozessor gewährleistet, der entsprechende Steuerprogramme enthält, welche die geeigneten Wicklungszustände und Rückmeldesignale bewirken und so eine genaue Einstellung des Motors gewährleisten. Derartige Ablaufdiagramme sind in den Figuren 9A, 9B und 9C dargestellt; 9B und 9C zeigen die «STEPS»- und «DELCSN»-Subroutinen.

Der Wert POSNOW ist die aktuelle Position des Motors, aufwärts und abwärts gezählt entsprechend der Bewegung des Motors. POSCOM ist die Position, in die der Motor sich bewegen soll und die festgesetzt wird, bevor das Programm vom Monitor beginnt. Das Programm beginnt mit der Bestimmung der Differenz zwischen POSNOW und POSCOM; diese Differenz ist die DIRFLG («Direction Flag»). Die absolute Differenz ist OFFSET, eine Grösse, von der rückwärts gezählt wird, bis die Position Null erreicht ist. Wenn OFFSET von Beginn an Null ist, dann beginnt der Motor sofort zu laufen. Ist OFFSET nicht gleich Null, beginnt der Motor mit den Subroutine-Schritten; danach bestimmt das Programm die weiteren Schritte. Wenn mehr als zwei Schritte verbleiben, prüft die DELSCN-Subroutine das Rückmeldesignal bis zum Eintritt eines Bewegungssignals; wenn dies gegeben wird, kann der nächste Schritt erfolgen.

Die Verzögerung des Umlaufs wird auch durch DELSCN bestimmt. Wenn aber der Komparator auf Null geht, wird die Routine so lange fortgesetzt, bis der Komparator wieder auf 1 geht. Wenn das geschieht, wird der nächste Schritt eingeleitet und diese Routine so oft wiederholt, bis OFFSET = 0.

Die STEPS-Subroutine korrigiert den Wert von POSNOW, indem hierzu DIRFLG addiert wird, welches entweder +1 oder —1 ist. Die niedrigste Reihe 2 bits von POSNOW werden nun maskiert und benutzt, um das Ausgangssignal der Wicklungen auszuwählen, welches den Antrieb in die Position POSNOW bewirkt. Dies geschieht, indem die bits niedrigerer Ordnung als Teile des Index benutzt werden. Nach einer gewissen Verzögerung werden die gleichen bits benutzt, um einen anderen Index zu konstruieren, welcher den Generator für den «comparison transient» auswählt. Schliesslich wird OFFSET dekrementiert und die Subroutine beendet.

Die DELSCN-Subroutine verzögert anfänglich die Aktion, damit der Wicklungsstrom gegen Null gehen kann. Dann wird ein Index bestimmt, der das richtige Rückmeldesignal bewirkt. Das Eingangssignal wird mehrfach überprüft.

Wird zum Zeitpunkt, da der Ausgangswert von LOOPCT 0 auf Null gegangen ist, kein Rückmeldesignal erhalten, geht das Programm aus dem Monitor, denn der Motor hat zu lange gebraucht, um sich in Bewegung zu setzen. Um dies zu tun, muss der «Stack pointer» (SP)korrigiert werden, weil er aus der Sub-routine springt. Wenn das Komparatorsignal Null ist, ist die Subroutine normalerweise beendet.

Das hier beschriebene Programm ist nur ein Teil eines allgemeinen Steuerprogrammes, welches an die Quelle, die die gewünschten Positionen steuert, die tatsächlich erreichten Positionen zurückmeldet. Die beschriebenen Routinen sollten allerdings ausreichen, um die Positionierung durch ein Digitalsignal zu bewirken.

Untersuchungen an dem in Fig. 1 dargestellten Motor haben gezeigt, dass in einem geschlossenen Steuerkreis Schrittgeschwindigkeiten von 400/Sek. ohne weiteres erzielt werden können; bei einem nicht geschlossenen Kreis wird der Motor bei mehr als 150 Schritten/Sek. unzuverlässig. Bei geschlossenem Steuerkreis hat sich der Motor als weitgehend lastunabhängig erwiesen; er kann dann seine Geschwindigkeit unter ansteigender Last von 400 Schritten/Sek. auf 50 Schritte/Sek. reduzieren und zeigt bei jedem abrupten Anhalten die Zahl der bereits ausgeführten Schritte an.

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Während in der vorliegenden Beschreibung die Steuerung des Inkremental-Antriebssystems an einem Linear-Schrittmotor mit variabler Reluktanz beschrieben wurde, wird es dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten, das beschriebene erfin-dungsgemässe System auch auf andere Motoren zu übertragen, beispielsweise auf solche mit einem scheibenförmigen oder einem zylindrischen Rotor. In dem in den Figuren 9A - 9C beschriebenen Steuerungsprogramm wird positionsabhängig geschaltet. Für den Fachmann wird es aber keine Schwierigkeiten machen, statt dessen die Schaltung geschwindigkeitsabhängig vorzunehmen. Noch grössere Geschwindigkeiten können erzielt werden, wenn die verlangte Position mehr als einen Schritt von der dynamischen Position entfernt ist. Diese Technik wird vorzugsweise dann angewendet, wenn die Verzögerung, bedingt durch die Stromversorgung der Spule, zum die Geschwindigkeit limitierenden Faktor wird. Unter diesen Bedigungen muss das Rückmeldesignal an der anderen Spule gemessen werden, und es kann eine Verzögerungskorrektur erforderlich werden, um s entgegenwirkende Kräfte sowie Drehkräfte zu vermeiden.

Obgleich in Fig. 5 für jede Wicklung zwei Wellenform-Generatoren gezeigt sind, ist tatsächlich nur ein Wellenform-Generator pro Wicklung erforderlich, da die Wellenformen, die an beiden Wicklungsenden bei Schaltung auf das niedrigere Po-lo tential oder Null auftreten, an sich gleich sind. Entsprechend ist auch nur ein Komparator erforderlich. Bei Verwendung von integrierten Schaltungen kann es allerdings einfacher sein, zwei Wellenform-Generatoren und zwei Komparatoren zu verwenden; die zusätzlichen Kosten sind geringfügig.

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5 Blätter Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Inkremental-Antriebseinrichtung, bestehend aus einem Schrittschaltmotor mit variabler Reluktanz und einer Steuereinrichtung für den Schrittschaltmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mindestens zwei Wicklungen aufweist, die Stillstandssignale mit unverzerrter Wellenform und bewegungsabhängige Signale mit verzerrter Wellenform liefern, und dass die Steuereinrichtung einen Wellenformgenerator zum Synthetisieren von Wellenformen enthält, die den vom Motor gelieferten Stillstandssignalen entsprechen, sowie eine Komparatoreinrich-tung zum Vergleich der vom Wellenformgenerator gelieferten Wellenform mit den vom Motor gelieferten bewegungsabhängigen Signalen, und eine Einrichtung zur Steuerung der Stromversorgung des Motors in Funktion des genannten Signalvergleichs.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mindestens die folgenden Elemente enthält:

a einen ersten und einen zweiten Antriebsschaltkreis, welcher mit der ersten bzw. der zweiten Motorwicklung verbunden ist;

b eine erste Wellenformgenerator-Einrichtung zum Synthetisieren eines Signals, dessen Wellenform dem von der ersten Motorwicklung gelieferten Stillstandssignal entspricht, sowie eine zweite Wellenformgenerator-Einrichtung zum Synthetisieren eines Signals, dessen Wellenform dem von der zweiten Motorwicklung gelieferten Stillstandssignal entspricht;

c eine erste Komparatoreinrichtung, die mit der ersten Motorwicklung sowie mit dem Ausgang der ersten Wellenform-generator-Einrichtung derart verbunden ist, dass ein Vergleich zwischen der synthetisierten Wellenform und dem von der ersten Motorwicklung gelieferten bewegungsabhängigen Signal vorgenommen wird; sowie d eine zweite Komparatoreinrichtung, welche mit der zweiten Motorwicklung sowie mit dem Ausgang der zweiten Wellenformgenerator-Einrichtung zwecks Vergleichs der synthetisierten Wellenform mit dem von der zweiten Motorwicklung gelieferten, bewegungsabhängigen Signal verbunden ist, und e eine Datenverarbeitungseinrichtung, die sowohl mit der ersten und der zweiten Motorwicklung als auch mit der ersten und der zweiten Wellenformgenerator-Einrichtung und der ersten und der zweiten Komparatoreinrichtung verbunden ist und die Stromversorgung der ersten und der zweiten Wicklung als Funktion des genannten Signalvergleichs steuert bzw. bewirkt.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zur Ausführung von Vorwärts- und Rückwärts-Schaltschritten ausgebildet ist und ein erstes Bauteil enthält, das eine Mehrzahl von Zähnen aufweist, deren Mittenabstand P und deren Breite P/2 beträgt, sowie ein zweites Bauteil, das gegenüber dem ersten beweglich angeordnet ist und mindestens zwei Pole aufweist, wobei jeder Pol zwei Sätze von Zähnen besitzt, deren Mittenabstand P beträgt und deren Breite P/4 ist, dass ferner die Zahnsätze in jedem Pol gegeneinander versetzt sind um einen Betrag, der (n± 1/2) P ist, wobei n ganzzahlig ist, dass weiterhin die Pole gegeneinander um einen Betrag versetzt sind, der (m± 1/4) P beträgt, wobei m gleichfalls ganzzahlig ist, dass jeder der Pole mit einer Wicklung versehen ist, die zur Beschickung mit Gleichstrom dient und eine der Motorwicklungen bildet, und dass das zweite Bauteil mindestens mit einem Magneten ausgestattet ist.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil des Motors stationär ist und das zweite gegenüber dem ersten beweglich angeordnet ist.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil des Motors stationär ist und das erste ihm gegenüber beweglich angeordnet ist.
6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet, vorzugsweise ein seltene Erden enthaltender Magnet, ist.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Feststellen der Differenz zwischen der gewünschten Motorposition und der tatsächlichen Motorposition enthält, und eine Einrichtung zum Bestimmen der Schrittrichtung des Schrittmotors sowie eine Einrichtung, um den Motor schrittweise bis zu einer Verringerung der Differenz zwischen tatsächlicher und gewünschter Motorposition auf Null fortzuschalten.
8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Verringerung der Schaltgeschwindigkeit beim Erreichen einer vorbestimmten Differenz zwischen vorgegebener und tatsächlicher Motorposition enthält.
9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Antriebsschaltkreis über der betreffenden Wicklung jeweils eine H-Brücke mit vier Transistoren enthält, die paarweise selektiv in Abhängigkeit von der Datenverarbeitungseinrichtung betreibbar sind, um eine Stromumkehr durch die Wicklung und eine Schrittfortschaltung des Motors zu bewirken.
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Wellenform-generator-Einrichtung jeweils zwei Generatoren aufweist, und die erste und die zweite Komparatoreinrichtung jeweils zwei Komparatoren.
11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stillstandssignal exponentielle Wellenform besitzt.
12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetisierten Wellenformen in Richtung der Störung versetzt sind.
13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentielle Wellenform allgemein V = a(l — e"bt) entspricht, wobei a und b Konstante sind.
14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil des Motors zylindrische Form aufweist und mit einer regelmässigen, schrau-benlienienförmigen Zahnanordnung mit dazwischenliegender Nut ausgestattet ist, dass das zweite Bauteil eine schraubenli-nienförmige Zahnanordnung aufweist, mindestens einen Teil des ersten Bauteils umgibt und zwei ringförmige Pole aufweist, die von einem ringförmigen Magnet getrennt sind, wobei jeder Pol zwei ringförmige Elemente enthält, die von einer Ringwicklung getrennt sind, und wobei jedes Element einen Satz schrau-benlinienförmig angeordneter Zähne mit Nuten dazwischen besitzt, dass ferner der Zahnmittenabstand P und die Zahnbreite P/4 beträgt, und dass die Zahnsätze eines jeden Pols in Längsrichtung um einen Betrag (n± 1/2) P versetzt sind, wobei die Pole voneinander in Längsrichtung um einen Betrag von (m ± 1/4) P versetzt angeordnet sind und m und n ganze Zahlen sind.
15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Motorbauteil ringförmige Kraftflussregler aufweist, die an beiden Seiten des Magnets und zwischen diesem und jeden Pol angeordnet sind, und dass der Querschnitt dieser Kraftflussregler sich in Richtung vom Magnet zu den Polen hin verjüngt.
16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist, vorzugsweise ein solcher, der seltene Erden enthält.
17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Nuten mit einem teflon- bzw. nylonartigen Material ausgefüllt sind.
18. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen scheibenförmi5

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gen Rotor enthält, der mit einer Achse verbunden ist und eine Mehrzahl keilförmiger, sich radial ausdehnender, in gleichen Abständen voneinander angeordneter Zähne besitzt, und dass der Stator zwei Pole aufweist, die auf der einen bzw. anderen Seite des Rotors angeordnet sind, und jeder Statorpol zwei Sätze keilförmiger, sich radial erstreckender, in gleichmässigem Abstand voneinander angeordneter Zähne aufweist, wobei jeder Zahnsatz einen Kreis beschreibt und beide Kreise verschiedene Radien haben und wobei die Zahnsätze in jedem Pol um einen Winkelbetrag von (n± 1/2) P gegeneinander versetzt sind, wobei n ganzzahlig ist, dass die Statorpole gegeneinander um einen Winkelbetrag, der (m± 1/4) P entspricht, wobei m ganzzahlig ist, versetzt sind und jeder Statorpol einen ringförmigen Magneten und eine Ringwicklung besitzt, wobei die Ringwicklung eine der Motorwicklungen bildet.
19. Antriebseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen ringförmigen Eisenring aufweist, der zwischen dem Schaft und den Rotorzähnen angeordnet ist und dazu dient, den magnetischen Fluss zwischen den Statorpolen zu leiten.
20. Antriebseinrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist, vorzugsweise ein solcher, der seltene Erden enthält.
21. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein bidirektionaler Schrittmotor ist, der die folgenden Bestandteile enthält:

einen zylindrischen Rotor mit einer Mehrzahl in Längsrichtung sich ausdehnender Zähne mit Nuten dazwischen, wobei die Zähne in einem Winkelmittenabstand P und einer Winkelbreite P/2 angeordnet sind;

und einen zylindrischen Stator, der den Rotor umgibt und der mit zwei ringförmigen Polen ausgestattet ist, die durch einen ringförmigen Magneten getrennt sind, wobei jeder Statorpol in Längsrichtung des Stators und in gleichmässigem Abstand angeordnete Zähne aufweist mit einem Winkelmittenabstand von P und einer Winkelbreite von P/4, und die beiden Zahnsätze gegeneinander versetzt sind im Winkelmass entsprechend (n± 1/2) P wobei n eine ganze Zahl ist, und die Statorpole um den Betrag (m± 1/4) P gegeneinander versetzt sind, wobei m eine ganze Zahl ist, und die Zahnsätze in jedem Statorpol durch eine Ringwicklung voneinander getrennt sind, welche eine der Motorwicklungen bildet.
22. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil des Motors einen verzinnten Eisenstab mit schraubenlinienförmigen Windungen an seiner Aus-senfläche aufweist, wobei in der schraubenlinienförmigen Nut des Eisenstabs ein verzinnter Materialstreifen eingelötet ist, dass der Eisenstab auf einen bestimmten Durchmesser abgeschliffen ist und dass die Oberfläche des abgeschliffenen Eisenstabs mit einem harten Metallüberzug versehen ist.
23. Antriebseinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich unter dem harten Metallüberzug eine Kupferschicht befindet.
24. Antriebseinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Kupferschicht und dem harten Metallüberzug eine Chromschicht befindet.
25. Antriebseinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Kupferschicht und dem harten Metallüberzug eine Nickelschicht befindet.